Silvaco傻瓜教程—张林—长安大学—2018.pdf

1、 长安大学 半导体工艺与器件仿真实验指导书 Silvoca“傻瓜教程”指导老师：张林 副教授 电子科学与技术系 2018.06 半导体工艺与器件仿真“超级傻瓜”教程基于 Silvaco 软件 本材料为个人自编的材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。2 半导体工艺与器件仿真“超级傻瓜”教程基于 Silvaco 软件 本材料为个人自编的材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。1前 言 1.仿真软件只是一种辅助计算工具，它只是根据你设定的输入和内部设定的运算方法客观的给出输出；仿真结果没有对与不对之分。作为一个专业人员，需要理解软件的仿真过程，了解你的输入到底如

2、何被代入软件运行过程中，从而影响输出结果。2.仿真只是一种手段，只是专业理论知识的延续。仿真的内容和仿真的结果，如果缺乏专业知识的支撑，就只是一些代码和数据。软件是个黑匣子，越是复杂的界面和功能，越是会影响你理解仿真的内部过程。不要被软件代替你思考！3.仿真有什么用？第一，仿真是对理论的一种重现，各种模型之间相互验证；第二，在准确的仿真基础和工艺逻辑上，可以准确预测不同的结构和工艺，设计和优化器件；4.如何开展仿真？第一，仿真前先了解器件的原理，预测仿真的结果；第二，根据相关的理论，定义器件和仿真内容；第三，根据预设的目的，分析仿真结果。运行完成并不是结束，而是开始。如何利用仿真结果指导工作才

3、是专业人员的工作中心。3.专业软件一般都没有“中文版傻瓜教材”，学会充分利用软件自带的例库和用户手册才是王道。需要仿真什么，先在软件中找类似的例子，直接修改。遇到不会用的操作或者语句，在用户手册中查找语法。不要痛恨英文说明手册，谁叫软件都是老外编的呢！4.在安装文件夹中检索名为 athena_users 和 atlas_users 的 pdf 文件。半导体工艺与器件仿真“超级傻瓜”教程基于 Silvaco 软件 本材料为个人自编的材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。2 目录 Chap 1.器件仿真领域的“Hello World”！.1 Chap 2.一个最简单的 PN 结

4、仿真.5 Chap 3.一个简单的 MOSFET 仿真.10 Chap 4.一个也许是最简单的工艺仿真.14 Chap 5.一个也许是最简单的 MOSFET 工艺仿真.17 Chap 6.一个完整的 MOSFET 工艺仿真流程详解.19 Chap 7.也许是最简单的 BJT 仿真.28 Chap 8.采用电流扫描的 PN 结击穿仿真.32 Chap 9.PIN 功率二极管反向恢复特性仿真.34 作者的编后语.38 半导体工艺与器件仿真“超级傻瓜”教程基于 Silvaco 软件 本材料为个人自编的材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。1半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Sil

5、vaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。Chap 1.器件仿真领域的器件仿真领域的“Hello World”！下面的例子，可能最简单的一个仿真例子了！下面的例子，可能最简单的一个仿真例子了！go atlas mesh x.mesh location=0.00 spac=1.0 x.mesh location=1.00 spac=1.0 y.mesh location=0.00 spac=0.1 y.mesh location=1.00 spac=0.1 region num=1 silicon electrode name=anode top el

6、ectrode name=cathode bottom doping n.type conc=5e16 uniform model conmob fldmob solve init log outfile=resist.log solve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=1 name=anode quit 下面我们来解释一下这个例子：下面我们来解释一下这个例子：go atlas#启动软件中的仿真器atlas，在atlas中可以直接定义器件结构并仿真其电学特性；mesh#开始定义网格；x.mesh location=0.00 spac=1.0 x.mesh locat

7、ion=1.00 spac=1.0 y.mesh location=0.00 spac=0.1 y.mesh location=1.00 spac=0.1#网格的空间范围同时“框定”了材料的初始区域（长宽分别为1和1m的矩形）；并对这个区域进行了离散化离散化；#定义了一个一维的、均匀的网格结构；（x方向实际没有划分网格，y方向均匀划分）region num=1 silicon#定义材料为硅，没有指定区域，就是之前定义的整块材料；electrode name=anode top electrode name=cathode bottom#定义电极的名称和位置，位于“顶上”的那条边设定为名称为“a

8、node”的欧姆接触电极，位于“底部”的那条边设定为名称为“cathode”的欧姆接触电极；doping n.type conc=5e16 uniform#定义整块材料为N型均匀掺杂，浓度为5e16，没有指定区域，就是整块材料。model conmob fldmob 半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。#定义模型，这两个模型是迁移率模型，第一个描述迁移率随掺杂浓度上升而下降，第二个描述迁移率随电场上升而下降。solve init#求解初始值 log outfile=resist.log#设定输出文件的名称

9、 solve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=1 name=anode#求解阳极电压01V的电流特性，步长0.05V quit 结论：结论：1.根据语句中器件结构的定义，这是一个 Si 材料制成器件。由于只有一种掺杂元素（均匀掺杂）且没有其他材料，它其实是一个由“均匀”材料构成的“电阻”。示意图如下：2.根据网格的划分结果，仿真的其实是一维结构。3.计算了 anode 电极从 01V 时的电学特性。仿真结果与物理含义：仿真结果与物理含义：1.仿真完成后，用鼠标选取界面中的“resist.log”，右键“plot”，菜单“plot”中“Display”，可以画出不同指

10、定的电极电压和电流的曲线，同时可以选择线性坐标或者对数坐标。仿真的电流特性如下：半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。2.输出数据，FileExportData 里选 Displayed Only，即可将界面中显示的曲线数据导出，供专业数据处理软件处理。3.显然，这是一个典型的电阻的电流特性，仿真的结果对不对呢？我们来验证一下：slnq1slR，其中的 n 是掺杂浓度 51016，是迁移率，q 为1.610-19，l 为“电阻“的长度，s 为电阻的面积。问题是，我们没有定义问题是，我们没有定义”第三第三维维

11、“，器件面积如何求呢？，器件面积如何求呢？（这个秘密一般人我不告诉他：器件暗中定义了这个秘密一般人我不告诉他：器件暗中定义了一个默认的第三维，长度为一个默认的第三维，长度为 1m。）好了，根据半导体物理书 99 页可以查到电阻率越 0.2cm，估算结果是电阻值为 2000，而根据电流特性估算的电阻值是 2000 左右，非常的准确！讨论：讨论：1.网格的定义上，语句中定义了两个方向上的网格，为什么我们却说是一维结构？需要定义成二维的网格吗？如果把X轴和Y轴方向上的网格定义的再密或者疏一些，会影响仿真精度吗？提升一下：如何准确理解网格划分中的离散化原理和思想！提升一下：如何准确理解网格划分中的离散

12、化原理和思想！可以参考“割方成圆”的例子！如何求圆周率？采用一个边数无穷大的多边形逼近圆，多边形的边数达到无穷大的时候，其周长无限接近圆的周长。自然界的物理量（当然包括半导体中的）在空间的变化都是连续的，但计算机中的物理量都是离散的。所以，采用“网格”将空间离散化，两个相邻格点之间的物理量变化是突变的。理论上，如果网格无限密，半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。那么得到的计算结果也最逼近“实际”的物理量在空间的变化；但同时运算量也无限大！所以，应该在物理量空间变化最剧烈的地方采用密的网格，变化较小的地方采

13、用疏的网格，以获得精度和运算量之间的折中！有兴趣的同学可以调用一个例子，将网格加密或者变疏，观察某些物理量的空间分布，以观察网格对有兴趣的同学可以调用一个例子，将网格加密或者变疏，观察某些物理量的空间分布，以观察网格对运算时间和精度的影响！运算时间和精度的影响！2.在半导体物理和器件课程中我们学习过，一般是采用漂移扩散模型来求解器件的电学特性。那么在程序中为什么没有看见漂移扩散模型和电流连续性方程的有关定义？提升一下：如何准确理解经过严密封装和花哨界面化的仿真软件的内部运算提升一下：如何准确理解经过严密封装和花哨界面化的仿真软件的内部运算过程？如何知道软件默认了那些设置？过程？如何知道软件默认

14、了那些设置？其实，包括漂移扩散模型在内的大量复杂的模型已经内嵌入了软件的内核，其实，包括漂移扩散模型在内的大量复杂的模型已经内嵌入了软件的内核，当然还包括大量的默认参数！等到同学们开始不得不考虑软件到底内嵌了哪当然还包括大量的默认参数！等到同学们开始不得不考虑软件到底内嵌了哪些模型和默认参数的时候，才算开始入门了！些模型和默认参数的时候，才算开始入门了！3.求解的时候，我们是随便定义运算的电压运算范围和步长吗？在本例子中，如果调整这些值，会不会影响仿真精度？其实对于这个简单的例子而言，真的影响不算大了，但对于复杂的例子，其实对于这个简单的例子而言，真的影响不算大了，但对于复杂的例子，也许每一次

15、计算结果都可能不一样！当同学们开始不得不考虑计算的过程和原也许每一次计算结果都可能不一样！当同学们开始不得不考虑计算的过程和原理的时候，就真的“入坑”了！理的时候，就真的“入坑”了！4.该例子中加了两个迁移率模型，如果不加，程序可以跑通吗？结果有什么差别？迁移率在不同掺杂和电压下是有具体数值的，为什么程序中没有看见？到底软件取得是多少？参考问题参考问题 2，菜鸟们就不用管这些了！，菜鸟们就不用管这些了！半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。Chap 2.一个最简单的一个最简单的 PN 结仿真结仿真 将上面的

16、例子稍加修改，就变成了将上面的例子稍加修改，就变成了PN结的仿真程序！结的仿真程序！go atlas mesh x.mesh location=0.00 spac=1.0 x.mesh location=1.00 spac=1.0 y.mesh location=0.00 spac=0.1 y.mesh location=10.00 spac=0.1 region num=1 silicon electrode name=anode top electrode name=cathode bottom doping n.type conc=5.e16 uniform doping p.type

17、conc=5.e17 y.bottom=5.0 uniform#定义P型掺杂区域，区域上边界为5.0m output con.band val.band QFN QFP#定义输出文件中包括导带，价带，费米能级等信息。model conmob fldmob srh auger bgn#两种迁移率模型，两种少子复合模型，一种能带模型。solve init save outf=diode.str#保存计算了初始值的器件结构 tonyplot diode.str#调用相关工具绘出器件结构。quit 这个程序仿真了一个简单 PN 结的“平衡状态平衡状态”，程序会自动画出结构图。在tonyplot 的菜单

18、 plotdisplay 里可以查看器件结构（右键也可以）、网格和掺杂浓度分布等。在 toolscutline 里可以查看某个切面的物理量分布（点最右边的图标设置切线信息，或者直接用鼠标在结构上“划取”），出现物理量分布界面后可以选取想要查看的物理量，比如载流子浓度、电场、能带图等等。在上述程序中加入下列语句，就可以计算电流特性。method newton#制定了数值计算方法 log outfile=diode.log solve vanode=0.1 vstep=0.1 vfinal=2 name=anode tonyplot diode.log 仿真获得的电流特性如下，下面两张图分别是线性

19、坐标和指数坐标：半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。思考：明明是同样的数据，采用不同的坐标系看到的“视觉效果”完全不一样，思考：明明是同样的数据，采用不同的坐标系看到的“视觉效果”完全不一样，那该选什么坐标系？那该选什么坐标系？答案：不同坐标系下展现了仿真数据的不同角度，比如对于答案：不同坐标系下展现了仿真数据的不同角度，比如对于PN结的正向特性而结的正向特性而言，线性坐标展现的主要是大电流下的言，线性坐标展现的主要是大电流下的IV特性，对数坐标主要展现的是小电流特性，对数坐标主要展现的是小电流下的下的I

20、V特性。特性。如果在上述语句中加入存储器件结构的语句，就可以获得这个偏置状态下的物理量分布。思考：从曲线中可以获得哪些信息？开启电压，串联电阻，势垒高度，理想因思考：从曲线中可以获得哪些信息？开启电压，串联电阻，势垒高度，理想因子子?提示：不同的坐标系，可以提取不同的参数！具体怎么提，等同学们真的提示：不同的坐标系，可以提取不同的参数！具体怎么提，等同学们真的需要用的时候，自己去查吧！需要用的时候，自己去查吧！现在我们比较两个单边突变 PN 结的特性：选取P区掺杂为1e19，N分别为1e17和1e15。下图是平衡状态下载流子浓度的空间分布（左侧图，上下对比）和能带图（右侧图，上下对比）。仿真结

21、果分析：仿真结果分析：N型载流子浓度下降后，空间电荷区宽度变大了，但空间电荷区主要落在低掺杂型载流子浓度下降后，空间电荷区宽度变大了，但空间电荷区主要落在低掺杂一侧。一侧。从能带图可以看到，势垒高度有下降，从从能带图可以看到，势垒高度有下降，从0.9eV降到了约降到了约0.8eV，从中也可以观察，从中也可以观察到空间电荷区的变化。到空间电荷区的变化。器件中的电场强度分布也发生了变化。器件中的电场强度分布也发生了变化。半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。载流子浓度的空间分布 能带图 电场分布 将器件的尺寸稍

22、加修改，放置了正向IV特性。半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。go atlas mesh x.mesh location=0.00 spac=1.0 x.mesh location=1.00 spac=1.0 y.mesh location=0.00 spac=0.1 y.mesh location=100.00 spac=0.1 region num=1 silicon electrode name=anode top electrode name=cathode bottom doping n.ty

23、pe conc=1e17 uniform doping p.type conc=1e19 y.bottom=20.0 uniform output con.band val.band QFN QFP model conmob fldmob srh auger bgn solve init method newton log outfile=diode.log solve vanode=0.1 vstep=0.1 vfinal=1.0 name=anode save outf=diode.str tonyplot diode.str quit 可以计算获得如下的电流浓度分布：这个例子将管子的尺度

24、变大了，同学们可以比较下耗尽区宽度和少子扩撒长度的尺度。在书本和课堂上，往往将空间电荷区画得在整个器件中尺寸“占比重”很大，在书本和课堂上，往往将空间电荷区画得在整个器件中尺寸“占比重”很大，但描述偏压下能带图的时候又说空间电荷区宽度很薄，费米能级变化可以忽但描述偏压下能带图的时候又说空间电荷区宽度很薄，费米能级变化可以忽略！是不是有人要精神分裂了！略！是不是有人要精神分裂了！通过上述的仿真可以看到，空间电荷区宽度仅有小几个微米，而扩散区宽达数通过上述的仿真可以看到，空间电荷区宽度仅有小几个微米，而扩散区宽达数十微米！从简化问题的角度当然是可以忽略的！十微米！从简化问题的角度当然是可以忽略的！

25、半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。有兴趣的同学可以画出偏压状态下的能带图，与书上的能带图对比一下！有兴趣的同学可以画出偏压状态下的能带图，与书上的能带图对比一下！半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。Chap 3.一个简单的一个简单的 MOSFET 仿真仿真 用直接定义法生成一个典型的用直接定义法生成一个典型的 MOS 结构，仿真转移特性和输出特性。结构，仿真转移特性和输出特性。go atlas mesh x.m l

26、=0.0 spacing=0.3 x.m l=1 spacing=0.018 x.m l=2 spacing=0.018 x.m l=3 spacing=0.3 y.m l=-0.02 spacing=0.01 y.m l=0.0 spacing=0.01 y.m l=0.3 spacing=0.06 y.m l=1.0 spacing=0.2 region num=1 y.min=0 silicon region num=2 y.max=0.0 oxide#定义材料区域 elect num=1 name=gate x.min=1.0 length=1 y.min=-0.02 y.max=-0

27、.02 elect num=2 name=source left length=1 y.min=0.0 y.max=0.0 elect num=3 name=drain right length=1 y.min=0.0 y.max=0.0 elect num=4 name=substrate substrate#定义电极 doping uniform p.type conc=2.e16 doping gauss p.type conc=1.e17 char=0.1 doping gauss n.type conc=1.e20 x.right=1.0 junc=0.2 ratio=0.6 dop

28、ing gauss n.type conc=1.e20 x.left=2.0 junc=0.2 ratio=0.6#定义掺杂。#注：这里用的是高斯分布，离子注入形成的掺杂空间分布很接近高斯分布。如果高斯分布注：这里用的是高斯分布，离子注入形成的掺杂空间分布很接近高斯分布。如果高斯分布的参数用的好，可以很接近离子注入形成的掺杂分布。但是，如果对相关的技术不够了解，的参数用的好，可以很接近离子注入形成的掺杂分布。但是，如果对相关的技术不够了解，就老老实实的用均匀掺杂吧，虽然不够“精确”，但毕竟“可控”。就老老实实的用均匀掺杂吧，虽然不够“精确”，但毕竟“可控”。#再注：如果同学们开始考虑哪些工艺能

29、形成均匀参杂？哪些工艺能形成接近均匀掺杂？哪再注：如果同学们开始考虑哪些工艺能形成均匀参杂？哪些工艺能形成接近均匀掺杂？哪些情况下采用均匀掺杂误差会很大？些情况下采用均匀掺杂误差会很大？那就开始入门了！那就开始入门了！save outfile=nmos.str tonyplot nmos.str#存储和显示结构 models cvt srh print#定义模型 contact name=gate n.poly interface qf=3e10#定义栅界面电荷 method newton solve init solve vdrain=1 半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软

30、件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。log outf=nmos1_1.log solve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gate save outf=nmos1_1.str tonyplot nmos1_1.log-set nmos1_1_log.set#计算转移特性 log off solve vgate=1.1 outf=solve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3 load infile=solve_tmp1

31、 log outf=nmos1_2.log solve name=drain vdrain=0 vfinal=5 vstep=0.5 load infile=solve_tmp2 log outf=nmos1_3.log solve name=drain vdrain=0 vfinal=5 vstep=0.5 load infile=solve_tmp3 log outf=nmos1_4.log solve name=drain vdrain=0 vfinal=5 vstep=0.5 tonyplot-overlay-st nmos1_2.log nmos1_3.log nmos1_4.log

32、-set nmos1_4.set#计算输出曲线族 quit 采用上述的语句，可以仿真出 MOSFET 的转移特性和输出特性族。为了节约篇幅，图片就不上了！仿真如下的程序：go atlas mesh x.m l=0.0 spacing=0.3 x.m l=0.5 spacing=0.018 x.m l=2.5 spacing=0.018 x.m l=3 spacing=0.3 y.m l=-0.02 spacing=0.01 y.m l=0.0 spacing=0.01 y.m l=0.3 spacing=0.06 y.m l=1.0 spacing=0.2 region num=1 y.min

33、=0 silicon region num=2 y.max=0.0 oxide#定义材料区域 elect num=1 name=gate x.min=0.5 length=2 y.min=-0.02 y.max=-0.02 elect num=2 name=source left length=0.5 y.min=0.0 y.max=0.0 elect num=3 name=drain right length=0.5 y.min=0.0 y.max=0.0 elect num=4 name=substrate substrate#定义电极 半导体工艺与器件仿真傻瓜教程基于 Silvaco 软件 本材料为内部材料，若对内容有疑义或将此材料用作其他用途，请与作者联系。doping uniform p.type conc=2.e16 doping uniform n.type conc=1.e